李建志

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

傳統(tǒng)的保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位方法對保護(hù)開關(guān)以及保護(hù)開關(guān)的工作環(huán)境都有較高的要求。目前，長距離輸送機(jī)的保護(hù)開關(guān)的工作環(huán)境比較惡劣，使保護(hù)開關(guān)很容易出現(xiàn)故障，增加了保護(hù)開關(guān)的更換與維修的頻率，同時(shí)也降低了保護(hù)開關(guān)對輸送系統(tǒng)的監(jiān)測與保護(hù)[1-3]。本文采用了一種使用簡單、耐用、低成本的開關(guān)作為保護(hù)開關(guān)來解決這一問題，并對保護(hù)開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測與定位硬件設(shè)計(jì)[4]。

1 保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位系統(tǒng)的基本組成

保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位系統(tǒng)主要是由控制器、保護(hù)開關(guān)電路、通訊電路以及相應(yīng)檢測傳感器電路組成?？刂破魇窍到y(tǒng)的核心，它通過電流傳感器和電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測并保存保護(hù)開關(guān)電路的電壓和電流數(shù)據(jù)，通過檢測到的電流數(shù)據(jù)并根據(jù)相應(yīng)的控制算法得出為保持保護(hù)開關(guān)電路恒流所需的占空比，在恒流完成的條件下，根據(jù)反饋回來的電壓數(shù)據(jù)來確定是否有保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生改變即確定輸送機(jī)系統(tǒng)是否有故障發(fā)生，并把相應(yīng)的故障警報(bào)通過通訊電路發(fā)送到輸送系統(tǒng)的控制中心[5-7]。與此同時(shí)控制器根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)序列號即確定了發(fā)生故障位置。功率開關(guān)器件控制著整個(gè)電路的開通與關(guān)斷，使得單片機(jī)可以通過它完成對主電路的控制。LED顯示和鍵盤控制實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交流。通訊模塊滿足了保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位裝置與其他設(shè)備的通信。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位系統(tǒng)功能及原理

圖1 輸送機(jī)保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位系統(tǒng)的主要任務(wù)有兩個(gè)，一是監(jiān)測功能。當(dāng)輸送機(jī)開始工作的時(shí)候，實(shí)時(shí)監(jiān)測著輸送系統(tǒng)的所有保護(hù)開關(guān)，主要涉及到的有拉繩、跑偏、撕裂、料流等保護(hù)開關(guān)。當(dāng)監(jiān)測到某個(gè)保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生了改變時(shí)說明某個(gè)部位發(fā)生了故障，控制中心做出相應(yīng)的反映，用以確保沿線工作人員的人身安全和生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)。二是定位功能。由于大部分長距離輸送機(jī)都工作在隧道、礦井等沒有通訊能力的地方，所以準(zhǔn)確定位事故發(fā)生地尤為重要。在確定故障發(fā)生的同時(shí)，保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位裝置會(huì)立刻通過設(shè)定好的方法計(jì)算出故障發(fā)生的位置定位出故障發(fā)生處，并通過通訊總線將發(fā)生故障的位置發(fā)送給輸送系統(tǒng)的控制中心。

3 保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位的方法

下面將通過基于恒流源的長距離輸送機(jī)保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位的等效電路圖（如圖2所示），詳細(xì)地闡述保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位的方法。

圖2 基于恒流源的長距離輸送機(jī)保護(hù)開關(guān)監(jiān)測與定位的等效電路圖

DC為直流電源，r為標(biāo)準(zhǔn)電阻，△r為每兩個(gè)保護(hù)開關(guān)之間導(dǎo)線的電阻，I0為保護(hù)開關(guān)監(jiān)測定位裝置給外部保護(hù)開關(guān)電路提供的直流恒流源，U為外部保護(hù)開關(guān)電路的總電壓。k1、k2、k3、…、k11均為普通的開關(guān)，它和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻r構(gòu)成一個(gè)保護(hù)開關(guān)。

3.1 保護(hù)開關(guān)監(jiān)測的方法

當(dāng)輸送系統(tǒng)開始工作后，在沒有故障發(fā)生位置的保護(hù)開關(guān)保持常開的狀態(tài)，如果某個(gè)位置發(fā)生故

式中：m為狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的序號；P為保護(hù)開關(guān)的總數(shù)目；Δr為兩個(gè)保護(hù)開關(guān)之間的導(dǎo)線的電阻。

無論是否有故障發(fā)生，保護(hù)開關(guān)回路中的電流都為I0，那么此時(shí)開關(guān)監(jiān)測定位裝置內(nèi)電壓傳感器監(jiān)測的電壓U1為：

在公式（2）中，I0為設(shè)定的恒定值，所以U1的取值決定于Rm。保護(hù)開關(guān)監(jiān)測裝置是根據(jù)監(jiān)測到的電壓U1來判斷輸送機(jī)系統(tǒng)是否有故障發(fā)生，根據(jù)公式（1）和（2）可知，U1的值取決于保護(hù)開關(guān)回路中的總電阻值Rm的取值。所以當(dāng)故障發(fā)生后，開關(guān)監(jiān)測定位裝置所監(jiān)測到的電壓與沒有發(fā)生故障時(shí)是不同的（超出由誤差引起的電壓波動(dòng)范圍），裝置根據(jù)電壓的變化情況向輸送系統(tǒng)的控制端發(fā)送故障信號，然后控制輸送機(jī)急停并等待故障處理。

3.2 保護(hù)開關(guān)定位的方法

假設(shè)狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的序號為K，K的計(jì)算公式為：障，那么該位置的保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)由斷開變?yōu)殚]合，這將導(dǎo)致保護(hù)開關(guān)電路所串聯(lián)的保護(hù)開關(guān)數(shù)目發(fā)生改變，保護(hù)開關(guān)電路的總阻值發(fā)生改變。設(shè)整個(gè)保護(hù)開關(guān)回路中串聯(lián)的電阻的阻值Rm，保護(hù)開關(guān)回路中的阻值Rm分為兩種情況。一種是沒有故障發(fā)生即沒有保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)保護(hù)開關(guān)回路阻值為所有標(biāo)準(zhǔn)電阻與導(dǎo)線電阻的和；第二種為故障發(fā)生時(shí)即有保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)由斷開變?yōu)榱碎]合，此時(shí)保護(hù)開關(guān)回路阻值為狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)到開關(guān)監(jiān)測定位裝置之間所有標(biāo)準(zhǔn)電阻和導(dǎo)線電阻的和。由此可知，Rm的表達(dá)式為：

式中，I1為保護(hù)開關(guān)監(jiān)測定位裝置內(nèi)的電流傳感器檢測到得電流值；U1為電壓傳感器檢測到的電壓值；R為每個(gè)保護(hù)開關(guān)所等效的電阻值。

R的表達(dá)式為：

式中，r為每個(gè)保護(hù)開關(guān)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻。假設(shè)每個(gè)保護(hù)開關(guān)的等效電阻為開關(guān)所帶的標(biāo)準(zhǔn)電阻r與每兩個(gè)保護(hù)開關(guān)之間來回導(dǎo)線阻2Δr之和。

雖然U1是通過開關(guān)監(jiān)測定位裝置內(nèi)的電壓傳感器測量出來的值，但是它的值是由外部保護(hù)開關(guān)電路的現(xiàn)在的阻值和電流決定的。

U1的表達(dá)式為：

式中，a為保護(hù)開關(guān)的電阻誤差值。在這里考慮的是總電阻的正、負(fù)誤差，也就是誤差的最大范圍。序號最后需要取整數(shù)。

由上述方法可知，當(dāng)某個(gè)保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生了改變，可通過公式（7）計(jì)算出狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的序號，也就定位了故障發(fā)生地。

4 仿真分析

通過公式（7）可知，能否準(zhǔn)確地定位狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的位置的準(zhǔn)確度取決于設(shè)定串聯(lián)電阻的誤差值a和回路中電阻的個(gè)數(shù)n。

本文的仿真中所選取的參數(shù)有：r=100 Ω，Δr=0.576 Ω，n=1，2，3，…，70。標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差a取值范圍為1、3、5。下面通過不同誤差值a，來觀察計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果的誤差情況，選擇誤差值最合適的標(biāo)準(zhǔn)電阻。不同的誤差值計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果對比如下面的圖3—圖5所示。

圖3—圖5中k1線為負(fù)誤差（所有的標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值為r（1-0.01a））時(shí)，通過保護(hù)開關(guān)定位方法計(jì)算得出的結(jié)果。k2線為正誤差（所有的標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值為r（1+0.01a））時(shí)，通過保護(hù)開關(guān)定位方法計(jì)算得出的結(jié)果。在不同的真實(shí)故障發(fā)生處與誤差值a的情況下，保護(hù)開關(guān)定位方法計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)序號正、負(fù)誤差絕對值越大，證明定位越不準(zhǔn)確；越小則證明定位越準(zhǔn)確。

式中，R1為外部保護(hù)開關(guān)電路總阻值的實(shí)際值，R1的表達(dá)式為：

式中：r1是每個(gè)保護(hù)開關(guān)中的電阻的實(shí)際值，r1=（1±0.01a）r。n為保護(hù)開關(guān)回路中實(shí)際串聯(lián)電阻的個(gè)數(shù)，就是狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的實(shí)際序號，也代表故障發(fā)生的地址。

通過公式（3）（4）（5）（6）可知狀態(tài)發(fā)生改變的保護(hù)開關(guān)的序號K的最終計(jì)算公式為：

圖3 a=l時(shí)的結(jié)果對比

圖4 a=3時(shí)的結(jié)果對比

圖5 a=5時(shí)的結(jié)果對比

如上頁圖3所示，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差值a=l，發(fā)生故障處的保護(hù)開關(guān)序號為m=70。負(fù)誤差情況下計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)的序號為k1=69，正誤差情況下計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)的序號為k2=71。在這種情況下維修人員最多需要檢測3個(gè)保護(hù)開關(guān)就能夠找到故障發(fā)生的具體位置，故障范圍縮小。由此可知，標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差值為1的情況下就可以滿足工程的需求。

如圖5所示，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差值a=5，發(fā)生故障處的保護(hù)開關(guān)序號為m=70。負(fù)誤差情況下計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)的序號為kl=66，正誤差情況下計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)的序號為k2=74。在這種情況下維修人員最多需要檢測9個(gè)保護(hù)開關(guān)才能找到故障發(fā)生的具體位置，以每兩個(gè)保護(hù)開關(guān)間距為60 m來計(jì)算，維修人員就要檢查540 m的距離，造成大量的人力和時(shí)間的浪費(fèi)。由此可知，標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差值在大于等于5的情況下是滿足不了工程需求。

5 結(jié)論

1）在不同的真實(shí)故障發(fā)生處以及在誤差值a的情況下，保護(hù)開關(guān)定位方法計(jì)算得出保護(hù)開關(guān)序號正、負(fù)誤差的絕對值越大，證明定位越不準(zhǔn)確；開關(guān)序號正、負(fù)誤差絕對值越小則證明定位越準(zhǔn)確。

2）標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差值為1的情況下就可以準(zhǔn)確地定位故障發(fā)生地址。